基于CO2和CO2/R170共沸制冷剂的跨临界循环特性研究及性能优化

• 作 者: 刘雅如
• 机 构: 安徽工业大学
• 出 处: 安徽工业大学
• 发表日期: 2020年01期
• 关键词: CO2 最佳充注量 CO2/R170共沸混合制冷剂 循环方式 热力学分析

目前,温室效应和能源短缺已经成为人民日益关心的问题。CO2作为破坏臭氧层潜能值ODP（Ozone Depletion Potential）为零、温室效应潜能值GWP（Global Warming Potential）很低的自然工质,在制冷/热泵行业具有十分广阔的应用前景。CO2的临界温度较低（31.1℃）,很容易实现跨临界循环,在热泵热水器方面具有很大的应用优势,不仅可以提高出水温度,还能增加热水产量。但是,相比于传统制冷系统,CO2系统还存在运行压力高、排气温度过高和能效相对较低的劣势。为解决上述问题,本文尝试从制冷剂充注量、混合制冷剂取代纯质CO2、改变循环方式三个方面入手,对小型CO2跨临界循环的性能进行详细研究,寻求提升CO2系统性能的可行性方案及其理论依据。详细阐述如下:一、充注量对小型CO2系统性能影响很大,存在着最佳充注量,为得出精确的理论计算方法,本文以小型CO2水源热泵热水器系统为研究对象,在最优运行高压下,分别运用实验数据法、额定工况法和空泡系数法（均相模型、Zivi模型、Smith模型、L-M模型、Tandon模型、Yashar模型、Premoli模型、Harms模型、Barozcy模型、T-B模型和Hughmark模型）来理论计算系统的最佳充注量,并基于已有实验台,对系统进行相关实验。研究结果表明,空泡系数法更适用于跨临界循环。采用不同空泡系数模型计算出来的充注量理论结果差异较大,除T-B模型以外其他模型的误差均在10%以内,其中Zivi模型和Premoli模型误差最小,仅有0.9%。二、为了提升纯质CO2系统的性能,提出了在CO2里添加环保工质构成混合制冷剂的思路。由于非共沸混合工质存在着组分迁移而导致系统运行稳定性不够的问题,本文创新地提出了构建以CO2为基础组分的共沸工质思路,经过理论分析,最终优选出R170（乙烷）这种与CO2具备相似临界参数的环保工质,通过专用物性软件REFPROP详细计算了不同配比条件下,CO2/R170混合物的温度滑移,最终得出:在质量比为0.78/0.22时,CO2/R170为共沸混合物。将其作为制冷剂,可充分发挥CO2和R170各自独有的优势:CO2具有阻燃性抑制了R170的可燃性;R170优越的热力学性能提升了纯CO2系统的循环效率。本文以一套空气源热泵热水器系统为研究对象,在最优高压下,基于热力学第一定律和第二定律,建立能量热力学模型和（?）热力学模型,对采用CO2/R170共沸混合制冷剂的空气源热泵热水器系统的性能进行了模拟研究,并将其与同样工况下的R134a系统进行全面对比。研究结果表明,CO2/R170系统具有更高的制热系数、相似的单位制热量、更低的压缩机耗功量、压缩比以及排气温度,且（?）效率提高了31.3%。因此,CO2/R170共沸混合制冷剂具有长期替代R134a制冷剂的潜力。三、通过改变循环方式来提升系统的性能是一个很好的思路。本文,基于CO2和CO2/R170共沸混合制冷剂建立了三种循环（单级压缩带毛细管循环、单级压缩带膨胀机循环和两级压缩带膨胀机循环）的能量热力学模型,并对其性能进行对比研究。研究结果表明,CO2/R170共沸混合制冷剂能够解决CO2跨临界循环中排气温度过高的问题。此外,CO2/R170所在的三个循环中,两级压缩带膨胀机循环具有最大的COP、最低的排气温度、最大的单位制冷量、最小的压缩机单位功耗。